CN108637081B - 一种复杂曲率铝合金构件真空蠕变时效成形的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种复杂曲率铝合金构件真空蠕变时效成形的方法，所述方法包括使用一种用于复杂曲率铝合金构件真空蠕变时效成形的装置，所述装置包括含复杂曲率的模具型面以及设置在模具型面上的定位结构，所述模具型面上开设有通孔，所述定位结构包括相应焊接设置在所述通孔中的固定块和设置在固定块内的圆柱形定位柱，固定块上设有用于插入所述定位柱的圆柱形盲孔，且所述定位结构的材料强度大于所述模具型面的材料强度，在成形原材料铝合金板的周边区域开设两个分别用于两个定位柱插入的腰形通孔。本发明所述装置和方法能够使铝合金构件完全贴合模具型面上的成形目标区域，实现构件的精确制造。

Description

一种复杂曲率铝合金构件真空蠕变时效成形的方法

技术领域

本发明涉及大型复杂曲率薄壁铝合金构件精确成形制造技术领域，特别是涉及一种航空航天用具有复杂大曲率、高成形应力特征的大型薄壁构件真空蠕变时效成形的方法。

背景技术

蠕变时效成形是为实现航空航天用大型整体高强铝合金构件精确成形与高性能成性协同制造而发展起来的一种新型钣金成形方法，具有成形精度高、成本低、重复率高、残余应力低等优点。该技术目前主要应用于具有小曲率和低成形应力特征的构件成形制造，如飞机机翼上蒙皮。这类构件由于曲率半径大，成形模具型面整体变化平缓，构件在气压加载时不会移动很大，贴膜后能够覆盖模具型面上的目标区域。而针对复杂大曲率、高成形应力的大型铝合金构件蠕变时效成形，模具型面上不同位置曲率相差很大，模具型面整体上呈现内凹形，这会导致构件在气压加载中会移动很大，不能够完全贴合目标区域，因此构件弯曲加载过程中必须精确定位才能使构件贴合目标区域，最终制造出满足精度要求的构件。也就是说，目前现有技术中的方法只能制备小曲率或单向曲率，构件在气压加载时不会产生很大的不确定移动的铝合金构件。如专利CN201410711920.4提供一种大曲率铝合金整体壁板构件的制备方法，包括，步骤A，将壁板固溶淬火；步骤B，将步骤A得到的壁板置于由薄膜覆盖层和成形模具共同构成的密封环境中，在抽真空条件下壁板先后发生弹性形变和塑性形变得到变形壁板；壁板所处密封环境中温度为15～35℃、真空度为-0.1MPa～-0.05MPa、处理时间为5～60min；步骤C，将步骤B中得到的变形壁板原位蠕变应力松弛时效，蠕变应力松弛时效时间为2h以上；步骤D，卸载而得到所述大曲率铝合金壁板构件。使用该方法制备大曲率铝合金整体壁板构件，大大减小了产品的残余应力、提高了产品强度、获得了较高成形精度以及良好性能的产品。

而现有技术中并没有一种针对复杂曲率铝合金构件蠕变时效成形的装置或方法。

发明内容

本发明针对复杂大曲率、高成形应力的大型铝合金构件蠕变时效成形，提出了一种具有精确定位功能的成形装置和方法。

具体地，本发明提供一种复杂曲率铝合金构件真空蠕变时效成形的方法，所述方法包括使用一种用于复杂曲率铝合金构件真空蠕变时效成形的装置，所述装置包括含复杂曲率的模具型面以及设置在模具型面上的定位结构，所述模具型面上开设有通孔，所述定位结构包括相应焊接设置在所述通孔中的固定块和设置在固定块内的圆柱形定位柱，固定块上设有用于插入所述定位柱的圆柱形盲孔，且所述定位结构的材料强度大于所述模具型面的材料强度，在成形原材料铝合金板的周边区域开设两个腰形通孔，所述腰形通孔开设在铝合金构件产品的周边外侧，铝合金板真空和热压成形后切割去除含腰形通孔的部分而得到目标尺寸和目标曲率的铝合金构件，在成形前和成形过程中，两个腰形通孔中各插入一个定位柱以便对铝合金板的一端定位。

具体地，所述模具型面的材料例如为Q235钢，而所述固定块和定位柱的材料均为高铬钢或45钢。

本发明中，所述复杂曲率是指多向曲率，例如在相互垂直的两个方向上所述铝合金构件均有一定的曲率，具体所述铝合金构件产品例如为椭球型的一部分。本发明中，所述定位结构的材料强度必须大于所述模具型面的材料强度，例如所述定位结构的材料强度等于所述模具型面的材料强度时，容易使得模具型面或固定块变形扭曲。本发明中，所述定位柱并不焊接在固定块上，而是紧密插入固定块的盲孔中，以便在定位柱弯曲时或被磨细时及时更换新的定位柱。本发明中，所述定位柱并不会设置为螺纹旋接在固定块上，主要原因是定位柱使用一段时间后容易变形，此时螺纹变形则需要更新的定位柱难以从固定块中拔出。

在一种具体的实施方式中，所述固定块与模具型面上设置的通孔间的焊接为气密焊接。

在一种具体的实施方式中，所述定位柱的直径为10～50mm，优选20～40mm，定位柱的总高度为30～200mm，优选100～160mm。

在一种具体的实施方式中，所述固定块和模具型面上开设的通孔均为圆形，或二者均为方形，所述固定块为圆形时直径为40～80mm，所述固定块的厚度为模具型面厚度的两倍以上，优选三倍以上。具体地，例如定位柱的直径为30mm，高度为135～145mm。固定块的直径为60mm，固定块的厚度为80～100mm，而模具型面的厚度为15～20mm，此时固定块的下端面在模具型面下方。

在一种优选的实施方式中，所述定位柱的顶部开设有螺纹状盲孔或定位柱的顶部设置有外螺纹，所述装置还包括带螺纹结构的起拔器，用于及时拔出和更换定位柱。

在一种具体的实施方式中，所述腰形通孔均为一端宽而另一端窄。

在具体实施方式中，腰形通孔宽的一端为半径30mm的圆弧，其圆心与铝合金板端部相距70mm；而腰形通孔窄的一端为半径25mm的圆弧，其圆心与铝合金板端部相距75mm。根据具体的铝合金构件的形状，可以将腰形通孔长度方向两端的圆心连线设置为与铝合金板端部线平行或不平行。如果腰形通孔的圆心离构件端部过近，则容易在蠕变时效过程中将构件拉坏；如果腰形通孔的圆心离构件端部过远，则浪费原材料。

在一种具体的实施方式中，所述固定块焊接在模具型面的通孔中后，经过铣磨使得固定块顶面的多向曲率与模具型面顶面的多向曲率一致，顶面曲线自由过渡。在一种具体方式中，所述模具型面的通孔上沿和下沿分别与固定块的上边和下边焊接。

在一种具体的实施方式中，所述固定块上盲孔的深度为25～50mm。

具体地，盲孔的深度例如为30mm，盲孔的直径尺寸与定位柱的直径尺寸配合，二者间例如形成周边各0.1mm的间隙。

在一种具体的实施方式中，所述腰形通孔设置在构件长度方向的一端且两个腰形通孔分别设置在构件宽度方向的相对两侧，优选两个腰形通孔对称设置。

在一种具体的实施方式中，所述腰形通孔均设置在构件的宽度较窄的一端。

在一种具体的实施方式中，所述模具型面4上刻有用于与成型后的铝合金构件匹配对应的目标区域线3，所述目标区域线用于铝合金板成型过程中及时调整和确定铝合金板的位置；所述模具型面上还刻有定位线，所述定位线用于确定成型前的铝合金板的放置位置。

在蠕变时效成型过程中，若铝合金板向下弯曲变形过程中，铝合金的周边离目标区域线一侧远而另一侧近，则释放一些压力，挪动一下铝合金构件，使得其最终贴合在目标区域。此外，目标区域线另一个作用是，它在贴胶(粘贴形成真空袋)过程中起到指引作用，贴胶一般离目标区域线周边均为约20mm。具体地，所述定位线包括对应铝合金板的宽度较宽的一端的两个锐角型的短折角线用于标记铝合金板的两个锐角的放置位置。同样在铝合金板的宽度较窄的一端也可以设置两根折角形定位线。所述目标区域线和定位线的宽度和深度均可以是0.1～0.2mm。本发明所述装置中，所述定位柱一般在成型1～3块铝合金构件后便需要及时更换。

本发明至少具有如下有益效果：本发明针对复杂大曲率、高成形应力特征的大型构件蠕变时效成形，提出了一种具有精确定位功能的成形工装和成形方法，该工装和方法能够使构件完全贴合模具型面上的成形目标区域，实现构件的精确制造。由于工装上设计了构件精确定位结构，提高了成形构件的合格率，降低了时间和人工成本。使用本发明所述装置不仅可以用于研究铝合金板的蠕变时效成形，且使用该装置完全可以用于正式生产复杂曲率的铝合金构件。

附图说明

图1为大型复杂曲率铝合金构件蠕变时效成形装置示意图。

图2为成形前铝合金板与模具型面之间组成弦高示意图。

图3为装置中定位结构的纵剖示意图。

图4为铝合金板及铝合金板上与定位柱匹配的腰形通孔的结构示意图(含局部放大图)。

图5为蠕变时效成形后铝合金构件完全贴合目标区域的结构示意图。

图中，1-卡板；2-叉车孔；3-目标区域线；4-模具型面；5-加强结构；6-定位结构；61-固定块；62-定位柱；01-构件。

具体实施方式

一种大型复杂曲率构件蠕变时效成形方法，包括使用如图1所示装置，主要包括模具型面4、定位结构6、加强结构5、卡板1和辅助结构。模具型面由中间复杂曲率成形面和两端平台组成，其中复杂曲率成形面厚15～20mm，是构件最终弯曲贴合的成形面，两端平台用于粘贴真空袋。定位结构包括定位柱和固定块，优选还包括位于模具型面上刻画的定位线，使构件向下弯曲最终贴合模具后位于目标区域内。加强结构5由两个纵向U形钢焊接而成，主要作用是增加模具在起吊运输过程中的强度和刚度。卡板1由纵向和横向卡板拼焊而成，卡板和模具型面底部接触的长焊缝采用半径40～50mm的半圆结构进行焊接，有效降低焊接内应力，同时卡板上的孔结构可以保证加热时热流通畅，且减轻了模具的重量。辅助结构包括两侧四个吊耳和叉车孔2。

上述复杂曲率构件蠕变时效成形工装模具型面呈现内凹形，平板构件放置在模具上后，平板与模具型面之间组成的弦高将近1100mm，如图2。真空袋密封后进行抽真空，构件在真空载荷作用下逐渐弯曲，同时构件两端会逐渐向中间移动直至完全贴合模具型面，但由于构件的移动量不可控，在不设置定位结构时，构件最终不能贴合目标区域。

为使构件最终贴合目标区域，本发明在铝合金板小端(宽度较窄的一端)设计一种定位结构，使构件在加载过程中小端固定不移动而只有大端向中间移动，实现构件精确定位。定位结构包括固定块61和定位柱62，如图3所示。首先，在模具型面上确定定位结构位置，其原则是定位位置必须在成形目标区域以外，这样构件成形后可以把定位孔(构件上的腰形通孔)切除。其次，在模具型面上焊接直径60～80mm的固定块，固定块上表面与模具型面光滑过渡，固定块主要作用是固定定位柱以及保护模具型面。最后，设计直径30～40mm的定位柱并插入至固定块内。定位柱62设计方法：根据构件力学性能参数和有限元仿真计算得到定位柱承受的最大载荷，根据最大载荷设计定位柱直径。在铝合金构件小端位置也相应地设计了两个腰型孔与定位柱进行匹配，如图4所示。

铝合金板初始放置在模具上时，构件小端的两个腰型孔与模具型面上设置的两个定位柱进行配合，实现长度方向的定位；同时在模具型面上对应构件大端处刻上0.2mm×0.2mm(宽×深)的定位线，定位线(呈锐角状)与铝合金平板的放置位置相应。在放置铝合金板的时候，大端位置对准定位线，则实现了宽度方向的定位。

大型复杂曲率构件蠕变时效成形过程：首先，把铝合金平板放置在模具上，按照上述方法先实现长度方向和宽度方向的精确定位；其次，对构件进行真空袋密封，构件大端在抽真空加载过程中逐渐向中间型面贴合，抽真空结束后构件精确贴合至成形目标区域，如图5；最后整个装置推进热压罐，进行蠕变时效。实验结束后，进行降温降压，打开罐门，待模具温度降至室温后取出成形构件。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种复杂曲率铝合金构件真空蠕变时效成形的方法，所述方法包括使用一种用于复杂曲率铝合金构件真空蠕变时效成形的装置，所述装置包括含复杂曲率的模具型面(4)以及设置在模具型面上的定位结构(6)，所述模具型面上开设有通孔，所述定位结构(6)包括相应焊接设置在所述通孔中的固定块(61)和设置在固定块(61)内的圆柱形定位柱(62)，固定块(61)上设有用于插入所述定位柱的圆柱形盲孔，且所述定位结构的材料强度大于所述模具型面(4)的材料强度，在成形原材料铝合金板的周边区域开设两个腰形通孔，所述腰形通孔开设在铝合金构件产品的周边外侧，所述腰形通孔设置在构件长度方向的一端且两个腰形通孔分别设置在构件宽度方向的相对两侧，所述腰形通孔均设置在构件的宽度较窄的一端，所述腰形通孔均为一端宽而另一端窄，铝合金板真空和热压成形后切割去除含腰形通孔的部分而得到目标尺寸和目标曲率的铝合金构件，在成形前和成形过程中，两个腰形通孔中各插入一个定位柱以便对铝合金板的一端定位，所述模具型面上还刻有定位线，所述定位线用于确定成型前的铝合金板的放置位置。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述固定块与模具型面(4)上设置的通孔间的焊接为气密焊接。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述定位柱的直径为10～50mm，定位柱的总高度为30～200mm。

4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，所述定位柱的直径为20～40mm，定位柱的总高度为100～160mm。

5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述固定块和模具型面上开设的通孔均为圆形，或二者均为方形，所述固定块为圆形时直径为40～80mm，所述固定块的厚度为模具型面厚度的两倍以上。

6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述固定块的厚度为模具型面厚度的三倍以上。

7.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述固定块焊接在模具型面的通孔中后，经过铣磨使得固定块顶面的多向曲率与模具型面顶面的多向曲率一致，顶面曲线自由过渡。

8.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述固定块上盲孔的深度为25～50mm。

9.根据权利要求1所述方法，其特征在于，两个腰形通孔对称设置。

10.根据权利要求1～9中任意一项所述方法，其特征在于，所述模具型面(4)上刻有用于与成型后的铝合金构件匹配对应的目标区域线(3)，所述目标区域线用于铝合金板成型过程中及时调整和确定铝合金板的位置。

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